船舶螺旋槳機(jī)器人銑磨系統(tǒng)

李 明，楊培培

（上海船用柴油機(jī)研究所，上海 201108）

0 引 言

螺旋槳是為船舶提供動力的核心部件，螺旋槳加工質(zhì)量的優(yōu)劣不僅直接影響船舶推進(jìn)效率的高低，而且也從側(cè)面反映出一個國家造船能力的強(qiáng)弱[1]。傳統(tǒng)的螺旋槳是將分開制造的槳葉和槳榖組合成一個整體形成的部件[2]。目前國內(nèi)的整體螺旋槳主要采用整體鑄造的方法加工，通過銑削和人工打磨進(jìn)行精加工，具有結(jié)構(gòu)簡單和工作可靠的優(yōu)點[2]。

目前我國的船舶螺旋槳的生產(chǎn)過程為：

1) 鑄造整體螺旋槳，并進(jìn)行機(jī)加工。

2) 使用三坐標(biāo)測量儀測量整體螺旋槳毛坯表面各點的數(shù)據(jù)，計算出加工量，并標(biāo)注在螺旋槳的表面[2]。工人使用氣動工具和盤型銑刀處理工件表面，處理量約為6mm/單面，一次銑刀進(jìn)刀量約為1.5mm。

3) 工人使用氣動工具和磨盤處理工件表面，先粗磨，后精磨。

螺旋槳基本上都是人工銑磨加工，效率較低，以直徑為6m的定距槳為例，一個3m左右的葉片正反面銑磨，1名工人約需花費半個月的時間才能完成，且所生產(chǎn)產(chǎn)品的一致性難以保證。人工銑磨螺旋槳每次的進(jìn)刀量不均勻、不恒定，很難保證進(jìn)刀精度，加工的表面質(zhì)量難以管控，且生產(chǎn)人員的工作環(huán)境惡劣，產(chǎn)生的粉塵污染比較嚴(yán)重，打磨產(chǎn)生的噪聲甚至可達(dá)到95dB以上[3]。

目前我國整體螺旋槳采用的人工銑磨制造過程很難保證加工質(zhì)量，而機(jī)器人能高速、高靈活性地加工大型復(fù)雜曲面類零件，因此采用數(shù)控技術(shù)，通過機(jī)器人加工螺旋槳，具有操作加工簡單、質(zhì)量可靠、生產(chǎn)成本低和易于擴(kuò)展等優(yōu)點，可避免人工銑磨螺旋槳出現(xiàn)的質(zhì)量不可控問題，可減少噪聲，減少粉塵對人體的傷害[4-5]。圖1和圖2為我國人工加工螺旋槳與發(fā)達(dá)國家機(jī)器人加工螺旋槳的對比。目前我國是螺旋槳生產(chǎn)大國，螺旋槳生產(chǎn)廠家的人力成本在不斷增長，迫切希望通過產(chǎn)業(yè)升級降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。同時，國家正大力支持智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，機(jī)器人銑磨技術(shù)的市場前景良好。

圖1 國內(nèi)人工打磨螺旋槳

圖2 發(fā)達(dá)國家機(jī)器人銑磨螺旋槳

1 系統(tǒng)組成

機(jī)器人銑磨系統(tǒng)由六軸機(jī)器人、加工刀具、照相式三維掃描儀、安裝基座和分度裝置等組成。整個機(jī)器人銑磨系統(tǒng)配套部件見表 1。六軸機(jī)器人安裝在地面的固定架上，對安裝在分度裝置上的螺旋槳進(jìn)行加工。機(jī)器人銑磨系統(tǒng)以電動轉(zhuǎn)盤換軌的方式運輸，電源電壓 380V，功率為 12kW，該系統(tǒng)的設(shè)計重量＜2000kg，占地面積約為30m2，最大可加工槳葉直徑為3m的螺旋槳，產(chǎn)品加工精度達(dá)到GB12916 S級，可按照生產(chǎn)廠家螺距規(guī)檢測結(jié)果進(jìn)行驗證，可加工螺旋槳的上下槳葉面、槳葉邊緣和填角料等。槳葉面加工走刀量為1.5mm，進(jìn)給率為650mm/min。環(huán)境適應(yīng)性工作溫度為0～45℃，儲存溫度為-20～60℃，環(huán)境等級為IP65。轉(zhuǎn)臺采用電機(jī)驅(qū)動方式，無級變速，最大承重10t。機(jī)器人銑磨試驗臺見圖3。

表1 機(jī)器人銑磨系統(tǒng)配套部件 單位：套

圖3 機(jī)器人銑磨試驗臺

2 系統(tǒng)原理

通過照相式掃描儀對螺旋槳進(jìn)行掃描，獲得螺旋槳云點信息，并智能拼接成螺旋槳的三維模型。將計算機(jī)合成的螺旋槳模型與UG軟件設(shè)計最終要實現(xiàn)的螺旋槳模型進(jìn)行對比，得到各部分超差量，機(jī)器人按照理論切削曲線加工，銑磨機(jī)構(gòu)采用浮動式設(shè)計，可根據(jù)切削曲線與切削面距離的大小調(diào)節(jié)磨削壓力，從而獲得最佳的切削量[2]。

機(jī)器人銑磨系統(tǒng)具有工件模型導(dǎo)入功能，可將三維測量結(jié)果與目標(biāo)模型相對比，計算出銑磨量；其具有自動工藝規(guī)劃的能力，可生成實際的機(jī)器人刀具加工路徑[6-7]。此外，機(jī)器人銑磨系統(tǒng)還具有機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)控、人機(jī)交互和數(shù)據(jù)存儲等監(jiān)控功能及故障診斷、自動停機(jī)等安全保護(hù)功能。機(jī)器人銑磨加工可代替目前螺旋槳加工過程中的鑄造毛坯測量環(huán)節(jié)、人工銑削環(huán)節(jié)和人工磨拋環(huán)節(jié)；同時，該系統(tǒng)可為人工銑削槳葉邊緣提供邊緣輪廓標(biāo)記[8-9]。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 拍照式三維掃描技術(shù)

三維掃描技術(shù)是一種集光學(xué)、電學(xué)和計算機(jī)科學(xué)于一體的逆向工程技術(shù)。早期的激光式掃描儀采用線測量的方式，通過發(fā)出一束激光帶照射到被測物體上并在被測物體上移動獲取物體的實際形狀。這種掃描儀掃描景深小，精度最高可達(dá) 0.03mm。拍照式三維高精度掃描儀以非接觸的方式進(jìn)行三維掃描，采用光柵掃描技術(shù)，能全自動拼接，具有高效率、高精度和高解析度等優(yōu)點，掃描速度極快，1次掃描可得到1個面，數(shù)秒內(nèi)可得到100多萬點，測量點分布規(guī)則、精度高，單次測量范圍大，1次可測1個面；而激光掃描儀一般只能掃描5cm寬的狹窄范圍[10]。

本文采用照相式三維掃描儀對直徑為3m的螺旋槳進(jìn)行掃描，通過拍照式三維掃描技術(shù)測量鑄造后的整體螺旋槳的三維云點坐標(biāo)值，得到螺旋槳表面的云點數(shù)據(jù)；對不同方位的云點信息進(jìn)行智能拼合，得到接近完整的形狀數(shù)據(jù)[11]。將文件保存為三維通用igs格式，并導(dǎo)入到三維UG軟件中，對殼體進(jìn)行填充、實體化，最后得到螺旋槳的三維模型[12]。運用三維掃描技術(shù)能快速獲取螺旋槳的三維空間數(shù)據(jù)，迅速得到反映工件實時動態(tài)變化的信息，將螺旋槳實物的立體信息轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可直接處理的數(shù)字信號，為螺旋槳快速建模提供方便、快捷的手段。

3.2 銑削量計算

整個加工流程見圖4。首先使用照相式掃描儀對螺旋槳進(jìn)行整體掃描；然后使用Geomagic Design X逆向工程設(shè)計軟件生成云點信息，并智能拼接成螺旋槳的三維模型。根據(jù)計算機(jī)合成的螺旋槳模型，按照刀具每次切削的寬度計算出理論切削曲線，將切削曲線形成的切削面與UG軟件設(shè)計的最終要實現(xiàn)的螺旋槳三維模型相對比。根據(jù)各處的超差量，機(jī)器人按照理論切削曲線對螺旋槳進(jìn)行加工。刀具機(jī)構(gòu)采用浮動式設(shè)計，可根據(jù)切削曲線與切削面距離的大小調(diào)節(jié)切削壓力的大小，從而獲得最佳的切削量和最佳的加工效果。在磨削過程中，可通過觀察浮動機(jī)構(gòu)的間隙變化判定磨削量，并在計算機(jī)上實時查看切削模擬情況。通過計算機(jī)軟件仿真銑磨螺旋槳的加工過程（見圖5）。

圖4 加工流程圖

3.3 機(jī)器人加工軌跡計算

對要加工的目標(biāo)模型和毛坯模型進(jìn)行參數(shù)對比，對銑削量進(jìn)行融合計算，經(jīng)過機(jī)器人、工件和加工工具的多坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，使用專用機(jī)器人路徑計算軟件確定機(jī)器人的最終加工軌跡，并生成機(jī)器人可識別的控制程序。由機(jī)器人對螺旋槳加工軌跡進(jìn)行計算及仿真（見圖6）。

圖6 機(jī)器人加工軌跡計算及仿真

3.4 生產(chǎn)加工

選用高轉(zhuǎn)速、大扭矩、大功率的專用加工主軸和適合切削加工材料的配套刀具，保證加工所需的進(jìn)給量和加工深度。根據(jù)需求定制承重轉(zhuǎn)臺，該轉(zhuǎn)臺最大承重為10t，且具備2個旋轉(zhuǎn)自由度，以保證工件處于合理位置。

4 人工加工與機(jī)器人加工質(zhì)量對比

將人工加工的螺旋槳表面質(zhì)量與機(jī)器人加工的螺旋槳表面質(zhì)量相對比（見圖7），結(jié)果表明，人工打磨直徑為3m的螺旋槳一般表面質(zhì)量而機(jī)器人能達(dá)到的精度。

圖7 人工加工螺旋槳表面質(zhì)量與機(jī)器人加工螺旋槳表面質(zhì)量對比

5 結(jié) 語

機(jī)器人銑磨系統(tǒng)具有加工大型工件的能力，利用該系統(tǒng)加工船舶整體螺旋槳，加工范圍廣、靈活性好，系統(tǒng)臂展可達(dá)3m。人工打磨直徑為3m的螺旋槳一般需1周左右時間，一般表面質(zhì)量而機(jī)器人加工只需1d就能達(dá)到的精度。顯然，機(jī)器人銑磨系統(tǒng)可極大地提高螺旋槳的加工質(zhì)量和加工效率，且采用統(tǒng)一的軟件算法和快速、高精度的輸出，可保證大型工件的加工精度和一致性；此外，機(jī)器人對環(huán)境的耐受性高，防護(hù)等級達(dá)到IP65，能適應(yīng)較為惡劣環(huán)境，管理便捷，運營維護(hù)成本較低，能24h不間斷運行，在正常的運維時間內(nèi)不需要額外的養(yǎng)護(hù)。因此，采用機(jī)器人銑磨系統(tǒng)加工整體螺旋槳不僅能保證加工精度和加工質(zhì)量，而且管理方便、運營維護(hù)簡單，具有廣闊的市場前景。